鋼材在線熱處理技術及金相組織分析

李 明

（河鋼邯鋼技術中心熱軋檢驗站長材作業區，河北 邯鄲 056000）

在線熱處理是目前在鋼材熱軋生產中所廣泛采用的熱處理工藝，屬于控制軋制中的一種金屬加工方式。其工藝主要是利用鋼材熱軋后金屬內部所存在的潛熱，通過對鋼材軋制后冷卻速度、變形制度的合理控制，使鋼材溫度變化的過程與離線熱處理溫降過程相接近，同時獲得相同或相近的鋼材微觀組織和力學性能。在固態相變和熱塑性變形的共同作用下，使鋼材獲得更為細致、緊密和均勻的晶粒組織，從而改善其抗彎曲、抗沖擊等各種力學性能，提高產品質量。在線熱處理工藝具有生產成本低、生產效率高、產品質量好的優點，目前已經逐漸取代了傳統的合金化處理技術，在低合金鋼和微合金鋼生產領域得到廣泛應用。本文首先分析了在線熱處理生產工藝組織，對鋼材在線熱處理的金相組織檢測分析方法進行了探討。

1 在線熱處理技術工藝概述

1.1 在線熱處理工藝原理

在線熱處理技術是基于控制軋制理論而修建發展形成的金屬熱加工技術，在國外又被稱為熱機械處理。在高品質長材的熱加工生產環節中，在線熱處理工藝位于UF精軋和熱打印工藝之后，其工藝主要是利用鋼材熱軋后金屬內部所存在的潛熱，按照熱加工數據模型對鋼材的加熱過程和溫度變化等予以控制，使其內部晶粒組織大小和分布得到改善，控制碳氮化物微合金元素的析出，阻止鐵素體晶粒長大，從而達到改善鋼材綜合力學性能的目的。在熱軋生產中，鋼材內部晶粒組織會根據內部成分和溫度變化呈現出一定規律性，合金鋼、低碳鋼等都是在奧氏體區進行軋制。在鋼材軋制結束冷卻的過程中，組織內奧氏體會隨軋件溫度的降低向珠光體、滲碳體或鐵素體轉變；與此同時會有某些碳化物析出。由于熱軋過程中軋件熱變形的作用，由奧氏體相變后的鐵素體晶粒會明顯長大，珠光體晶粒間距增大，繼而會引起鋼材力學性能的惡化，變得更容易開裂和折斷。為了達到阻止鐵素體晶粒長大和縮小珠光體晶粒間隙的目的，我們可以通過對鋼材的加熱和冷卻過程進行控制，采用軋制后快去冷卻工藝使其溫度變化更接近于離線熱處理降溫過程，從而防止碳化物析出和改善組織結構，提高鋼材的機械強度。根據生產經驗，理想的熱處理效果其淬層深度可達到35mm以上，鋼材整體強度均可得到均勻強化。

1.2 在線熱處理工藝的過程

根據對鋼材的溫度變化的不同，在線熱處理一般可分為三個環節：一是淬火環節，主要是利用冷卻水對軋制后的高溫鋼材進行急劇降溫冷卻，使軋件表面形成具有更高強度與硬度的馬氏體結構；第二環節是回火，經過淬火后的鋼材，其表面溫度要低于內部溫度，此時鋼材內部的熱量就會向外部傳遞，繼而使表面溫度升高。由于其溫升熱量來自于鋼材內部，因而也被稱為自回火；第三是冷卻環節，經過自回火后軋件，其表面與內部溫度逐漸趨于一致，內部的奧氏體經過等溫相變，獲得最終的金相組織。

2 在線熱處理過程中軋件金相組織的變化

在淬火冷卻和自然冷卻的過程中，由于冷卻速度、熱量傳遞和軋件溫度變化的不同，熱處理不同階段其內部金相組織變化也是不同的。淬火冷卻下，軋件可在幾秒鐘之內由900℃以上快速降低至200℃左右；而在自然冷卻狀態下，軋件冷卻速度則大約在10℃~200℃范圍內。

2.1 淬火階段的金相組織變化

在淬火階段，軋件表面與心部的溫度變化是不一樣的，因而其金相組織也是不同的。表面溫度在急劇下降之后會形成堅硬的馬氏體結構；而心部由于仍保持著較高的問題，因而其金相組織并無顯著變化，仍舊以奧氏體組織為主。

2.2 自回火階段的金相組織變化

由于淬火后軋件表面與心部溫度相差很大，因而在自回火階段，軋件心部的溫度會快速地向表面進行傳遞，最終使軋件表面與心部溫度趨于接近。在淬火階段軋件表面形成的馬氏體結構并不穩定，在內部傳熱和自然冷卻的過程中有轉變為滲碳體和鐵素體平衡組織的傾向。經過自回火后，低碳鋼與中碳鋼的馬氏體組織只有碳原子的偏聚，沒有碳化物的析出，其原有的馬氏體結構基本不會發生改變；而高碳鋼則主要為碳化物析出，其中主要為馬氏體組織。自回火階段，軋件最終溫度已低于奧氏體相變溫度，因此軋件心部的奧氏體組織會變為珠光體和鐵素體組織。

2.3 最終冷卻階段的金相組織變化

高溫軋件從自回火階段自然冷卻至室內狀態，其溫度始終在600℃以下，這個過程中基本不會發生金相組織的變化，心部在較快的冷卻速度下會形成晶粒細小的珠光體結構。經過淬火、自回火、自然冷卻三個階段之后，軋件最終的組織結構為心部珠光體、鐵素體；表面為馬氏體。根據對不同尺寸規格軋件的金相組織檢驗發現，其規格尺寸大小也會對金相組織有所影響。小規格軋件在熱處理過程中其金相組織變化基本與上述變化一致；而大尺寸規格的軋件由于表層與心部存在較大的過渡區，心部溫度并不能快速直接地達到表面，而此過渡區的溫度則處在貝氏體相變區域內。因此，大尺寸規格軋件在心部與表面過渡區域的金相組織呈現出貝氏體、馬氏體與珠光體的混合結構形態。

3 鋼材熱處理環節金相組織的檢驗與分析

從理論上來講，經過在線熱處理的鋼材具有理想的強度和韌性，表面的馬氏體結構使鋼材具備了較高的硬度，而內部的珠光體、鐵素體組織使其保持了一定的脆性，不易發生折斷。如何判斷金屬熱處理是否合格，其關鍵還是要以金相組織的檢驗和分析為依據。

3.1 金相組織觀察

3.1.1 觀察組織物成分類型

根據在線熱處理溫度控制和材料規格尺寸的不同，鋼材組織成分及其含量也會略有不同。金相觀察時，首先要判斷軋件晶粒組織中有幾種組織成分，是單一組成物還是兩相或是多相的混合成分。在金相電鏡下，不同的組成物呈現為不同的形態特征、明暗程度和色彩差，利用其特征即可快速識別軋件的晶粒組織成分及其厚度。比如最先形成的總是從奧氏體晶界開始形核。大多數情況下，通過在電鏡下觀察晶粒明暗程度和形態分布的不同，即可判斷出鋼材熱處理的效果和產品是否質量要求。

3.1.2 形態觀察

晶粒組織形態是軋件金相檢查的基礎內容，也是判斷熱處理是否合格的“金標準”。一些特定的晶粒組織在電鏡下有極顯著的特征。比如電鏡下呈塊狀分布的白色物質一般為鐵素體或奧氏體；呈指紋狀分布的是珠光體；呈羽毛狀形態的是上貝氏體；黑色針狀物為下貝氏體或馬氏體。金相組織檢查首先要觀察組織物的形態，是片狀、針狀還是網狀、顆粒狀；是呈亮白色還是暗灰色等。以此來判斷軋件的金相組織分布。在金相檢查時要注意觀察試樣的浸蝕程度，選擇浸蝕合理的試樣才能保證金相檢查的準確性；在實際的金相檢查操作時，很多缺乏經驗的檢驗人員往往因制樣錯誤或浸蝕不合理而導致金相檢查判斷錯誤。在檢查時還要注意，不要簡單的根據組織顏色就輕易地判斷組織成分，還要結合外觀形態去綜合分析。比如呈亮白色既有可能是碳化物，也有可能是奧氏體或鐵素體，可通過調整電鏡倍數結合晶粒組織分布去判斷。

3.1.3 組成物的分布

內部組織物分布也是判斷晶粒組成物的重要依據，對于判斷鋼材強度也有一定的參考價值。電鏡下呈網格狀分布的都屬于沿晶界分布；呈點狀、片狀等形式的都屬于晶內分布。金相檢查時要注意，在沿晶析出物很少時，有時很難判斷其是沿晶分布還是晶內分布。此時，就需要采用更高顯示倍數更為細致地去觀察分布走向，結合經驗去做出正確判斷；還有就是當組成物較為多樣且復雜地夾雜在一起時，也很難識別組成物分布，此時就需要根據電鏡檢查結果結合熱處理理論去綜合分析判斷。

3.2 金相組織檢查的理論分析

熱處理組織的理論分析主要利用了過冷奧氏體的轉變原理，結合具體的熱處理參數進行判斷。

3.2.1 分析可能出現的組織物成分

當熱處理溫度在碳鋼實際加熱相變溫度以上時，碳鋼會變成單一的奧氏體；若低于該相變溫度，則會出現未溶的碳化物或鐵素體。而在鋼自然冷卻的過程中，該組織由于具有較強的穩定性因而不會發生轉變。鋼在冷卻時，一般會先發生共析轉變，析出珠光體；然后發生馬氏體和貝氏體轉變。具體發生何種轉變則需要以剛冷卻速度與C曲線變化來判斷。大于臨界冷卻速度得到的馬氏體和貝氏體組織是鋼材熱處理中最為理想的組織成分。每種組織成分的生成量主要與鋼材冷卻時越過幾個轉變區，并在該轉變區停留的時間呈正比，這也是我們能夠通過控制熱處理參數來調節鋼材內部組織成分的原因；而根據該原理我們也可以推斷出不同含碳量鋼材在不同熱處理條件下鋼材內部成分組成。

3.2.2 相近形態組織物的分別

相近形態組織物的分別是金相檢查的難點，混淆的話則容易錯誤判斷鋼材的組織成分。淬火組織中，塊狀白色物質有可能是碳化物、鐵素體，也有可能是奧氏體，亦或是幾種皆有。如果白色塊狀物出現在亞共析碳鋼中，則肯定是鐵素體或奧氏體；如果該塊狀物分布在馬氏體間隙，則可判斷為殘余奧氏體。鐵素體根據加熱冷卻條件可成為末溶鐵素體或是共析鐵素體，其區別在于末溶鐵素體多呈碎塊狀分散分布；共析鐵素體常呈網格狀分布，如果生成量較少還有可能呈網狀形態的顆粒狀分布。白色基體上分布的白色顆粒狀有可能為珠光體或者是貝氏體，可根據冷卻方式和材料加以判斷。如果回火溫度大于700℃則很可能為回火珠光體；如果材料中不存在可轉變為貝氏體的奧氏體，那么無論是哪種淬火降溫方式都可以排除貝氏體存在的可能。回火后常見的金相組織還包括黑色的針狀物，為區分其為馬氏體還是貝氏體，則要根據材料化學成分和回火溫度做出判斷。

4 結語

金相組織檢查是熱處理鋼材物理檢查的重要內容，為分析鋼材組織成分以及判斷鋼材質量問題提供了可靠依據。在線熱處理技術與金相組織檢查的綜合應用為不斷優化鋼材機械性能提供了支持。